CN109781517B - 一种细观尺度下沥青胶浆与集料界面断裂力学参数获取试验夹具及其试验方法 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种细观尺度下沥青胶浆与集料界面断裂力学参数获取试验夹具及其试验方法，该试验夹具包括以下组件：试验夹具主体、试件浇筑载台和沥青胶浆膜厚度控制挡片；试验方法包括以下步骤：筛选集料、浇筑环氧树脂硬性胶、切割集料、浇筑沥青膜、粘贴夹具、安装端部楔形夹具、施加荷载并记录数据和计算界面拉伸断裂力学参数；该试验方法能够实现细观尺度下的沥青胶浆与集料界面拉伸断裂力学参数测定，能够消除宏观尺度试验中尺寸效应、边界条件等因素的影响；该方法可以定量控制沥青胶浆与集料界面厚度，适应于测定不同种类的沥青胶浆与集料界面。
Description
技术领域
本发明涉及一种细观尺度下沥青胶浆与集料界面断裂力学参数获取试验夹具及其试验方法，属于道路工程技术领域。
背景技术
沥青混合料的断裂行为是道路工程研究领域中的重要课题，其中沥青胶浆和集料的界面被认为是沥青混合料材料抗裂能力的薄弱环节，裂缝从界面处萌生扩展最终导致材料断裂破坏。目前沥青胶浆与集料界面断裂力学参数获取试验主要面临一下两方面问题：常规尺度的宏观试验中，存在结构效应、尺寸效应和边界约束等影响因素，使得试验结果存在难以定量分析的误差；不同种类的沥青胶浆和集料之间的界面厚度并不相同，但现有的界面强度试验并不能定量控制界面厚度。
发明内容
解决的技术问题：本申请主要是提出一种细观尺度下沥青胶浆与集料界面断裂力学参数获取试验夹具及其试验方法，解决现有技术中存在的难以消除结构影响实现纯粹的材料断裂行为、难以定量控制界面厚度等技术问题，提供了一种细观尺度下沥青胶浆与集料界面断裂力学参数获取试验夹具及其试验方法。
技术方案：一种细观尺度下沥青胶浆与集料界面断裂力学参数获取试验夹具，由三部分组成，分别为：试验夹具主体、试件浇筑载台和沥青胶浆膜厚度控制挡片，所述试验夹具主体由两个T字型夹具对称排列而成，夹具的夹具头部中央设有正方形凹槽，所述凹槽内设有集料，集料与夹具头部之间使用环氧树脂硬质胶粘贴，所述集料之间粘附一层沥青胶浆膜；所述试件浇筑载台的顶面设有与夹具尾部搭配使用的夹具尾部卡槽和浇筑区挡块，所述浇筑区挡块和集料共同围成矩形的沥青胶浆浇筑区，所述浇筑区挡块上有T字型凹槽，T字型凹槽内设有沥青胶浆膜厚度控制挡片。
作为本发明的一种优选技术方案：所述细观尺度下沥青胶浆与集料界面拉伸断裂力学参数获取试验夹具的试验方法，包括如下步骤：
第一步，筛选并切割集料：筛选粒径大于20mm的集料，使用玉石切割机切割成长10mm，宽10mm，厚5mm的矩形集料试件；
第二步，粘贴集料：配置环氧树脂双组份硬性胶，均匀涂刷于夹具头部的凹槽底部，将切割好的集料试件压入凹槽，静置12小时，待环氧树脂胶充分硬化；
第三步，涂刷隔离液：将隔离液均匀涂刷于试件浇筑载台的浇筑区挡块内侧表面、上表面、沥青胶浆浇筑区底面以及集料试件的侧表面；
第四步，安装浇筑载台及挡片：将夹具尾部卡入试件浇筑载台的夹具尾部卡槽中，在沥青胶浆膜厚度控制挡片伸入到沥青胶浆浇筑区的外表面粘贴特氟龙胶带，然后将沥青胶浆膜厚度控制挡片插入到浇筑区挡块中对应的T字型凹槽中；
第五步，浇筑沥青膜：加热沥青胶浆，逐渐浇筑入沥青胶浆浇筑区内；将夹具沿着夹具尾部卡槽向中间推动，最终使集料与沥青胶浆膜厚度控制挡片压紧；待沥青胶浆冷却至室温后，用加热的刮刀刮去被挤出浇筑区的沥青胶浆；拔出沥青胶浆膜厚度控制挡片，将试验夹具主体连同集料一起，沿竖直方向退出浇筑载台；
第六步，SEM-serve设备安装：将试验夹具主体连同集料一起水平放入到 SEM-serve设备的楔形夹具中，使楔形夹具夹紧夹具尾部；
第七步，施加荷载并记录数据：先施加预加荷载，消除试验装置的初始扰动，再施加等应变率荷载，记录张力-位移曲线；
第八步，计算界面拉伸断裂力学参数：根据记录的张力-位移曲线，计算沥青胶浆与集料界面初始刚度、界面拉伸断裂强度及断裂能。
作为本发明的一种优选技术方案：所述两个T字型夹具的夹具头部长20mm、宽20mm、厚度3mm，夹具头部中央的正方形凹槽的长10mm、宽10mm、深1mm；夹具尾部(9)长30mm、宽20mm、厚5mm；材料采用45#钢。
作为本发明的一种优选技术方案：所述试件浇筑载台的载台长100mm、宽 40mm、高15mm；夹具尾部卡槽宽5mm、深15mm。
作为本发明的一种优选技术方案：所述沥青胶浆膜厚度控制挡片伸入浇筑区的长度为1mm；制备0.04mm、0.14mm、0.34mm、0.64mm、0.84mm、1.34mm 不同厚度的一组厚度控制挡片，在两侧粘贴厚度为0.08mm的特氟龙薄膜后，整体厚度分别为0.2mm，0.3mm，0.5mm，0.8mm，1mm，1.5mm。
作为本发明的一种优选技术方案：所述第三步中将丙三醇与滑石粉按照质量份数比2.5：1配置成隔离液。
作为本发明的一种优选技术方案：所述第五步中，沥青胶浆加热温度为 180℃-200℃，待沥青胶浆冷却至室温后，用加热至200℃的刮刀刮去被挤出浇筑区的沥青胶浆。
作为本发明的一种优选技术方案：所述第七步中，施加0.1mm/min的拉伸位移荷载20s，卸除荷载20s，再施加1mm/min的等应变率荷载，记录张力-位移曲线。
作为本发明的一种优选技术方案：所述第八步中，根据记录的张力-位移曲线，读取开裂时的峰值张力Nc及其对应的位移δc、破坏时的相对位移δf，根据集料试件长度D及宽度H、沥青胶浆膜厚度控制挡片伸入浇筑区的长度d，计算沥青胶浆与集料界面初始刚度K、拉伸断裂强度σc及断裂能Gf分别按照式[1] 至式[3]计算：
有益效果：本申请所述一种细观尺度下沥青胶浆与集料界面断裂力学参数获取试验夹具及其试验方法采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
1、该试验方法能够实现细观尺度下的沥青胶浆与集料界面拉伸断裂力学参数测定，能够消除宏观尺度试验中尺寸效应、边界条件等因素的影响。
2、该方法可以定量控制沥青胶浆与集料界面厚度，适应于测定不同种类的沥青胶浆与集料界面。
附图说明：
图1为本申请所述细观尺度下沥青胶浆与集料界面断裂力学参数获取试验夹具主体的结构示意图。
图2为本申请所述细观尺度下沥青胶浆与集料界面断裂力学参数获取试验夹具浇筑载台的结构示意图。
图3为本申请所述细观尺度下沥青胶浆与集料界面断裂力学参数获取试验方法的流程图。
图4为具体实施例所测得的70S3橡胶改性沥青与玄武岩集料界面断裂的张力-位移曲线。
附图标记说明：1、夹具；2、夹具头部；3、集料；4、沥青胶浆膜；5、试件浇筑载台；6、夹具尾部卡槽；7、浇筑区挡块；8、沥青胶浆膜厚度控制挡片； 9、夹具尾部；10、沥青胶浆浇筑区。
具体实施方式
下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明：
如图1所示，细观尺度下沥青胶浆与集料界面断裂力学参数获取试验夹具由三部分组成，分别为：试验夹具主体、试件浇筑载台5和沥青胶浆膜厚度控制挡片，所述试验夹具主体由两个T字型夹具1对称排列而成；夹具头部2长20mm，宽20mm，厚度3mm，中央有长10mm，宽10mm，深1mm的正方形凹槽，用来固定集料试件位置；凹槽内设有集料3，集料3与夹具头部2之间使用环氧树脂硬质胶粘贴，所述集料3之间粘附一层沥青胶浆膜4，夹具尾部长30mm，宽 20mm，厚5mm；材料采用45#钢。
如图2所示，试件浇筑载台5用来在浇筑沥青胶浆膜时固定夹具和试件，保证粘贴的界面试件平整，沥青胶浆膜厚度均匀；载台长100mm，宽40mm，高 15mm；试件浇筑载台5的顶面设有与夹具尾部9搭配使用的夹具尾部卡槽6和浇筑区挡块7，夹具尾部卡槽用来固定夹具，卡槽宽5mm，深15mm；浇筑区挡块7和集料3共同围成矩形的沥青胶浆浇筑区10，浇筑区挡块7上有T字型凹槽，T字型凹槽内设有沥青胶浆膜厚度控制挡片8。
如图2所示，细观尺度下沥青胶浆与集料界面断裂力学参数获取试验夹具的沥青胶浆膜厚度控制挡片，由两个T字型挡片组成，插入浇筑区挡块上对应的凹槽中，挡片伸入浇筑区的长度为1mm；本实施例中选取0.04mm的厚度挡片，在两侧粘贴厚度为0.08mm的特氟龙薄膜后，整体厚度为0.2mm。
如图3所示，细观尺度下沥青胶浆与集料界面断裂力学参数获取试验夹具的试验方法，包括如下步骤：
第一步，筛选并切割集料：筛选两颗20mm-25mm粒径的玄武岩集料，使用玉石切割机，切割为长10mm，宽10mm，厚5mm的矩形集料试件；
第二步，粘贴集料：配置3M DP270环氧树脂双组份硬性胶，均匀涂刷于夹具头部2的凹槽底部，将切割好的集料3试件压入凹槽，保证集料试件粘贴平整，四个边角不要翘起，静置12小时，待环氧树脂胶充分硬化；
第三步，涂刷隔离液：将丙三醇与滑石粉按照质量份数比2.5：1配置成隔离液，将隔离液均匀涂刷于试件浇筑载台的浇筑区挡块7内侧表面、上表面、沥青胶浆浇筑区底面以及集料3试件的侧表面，避免浇筑过程中于浇筑槽内的沥青胶浆试样以及挤压后溢出的沥青胶浆试样粘结，便于后续脱模；
第四步，安装浇筑载台及挡片：将夹具尾部9卡入试件浇筑载台5的夹具尾部卡槽6中，在沥青胶浆膜厚度控制挡片8伸入到沥青胶浆浇筑区的外表面粘贴特氟龙胶带，然后将沥青胶浆膜厚度控制挡片8插入到浇筑区挡块7中对应的T 字型凹槽中；
第五步，浇筑沥青膜：加热70S3橡胶改性沥青胶浆至190℃，延内壁逐渐浇筑入沥青胶浆浇筑区10内；将夹具沿着夹具尾部卡槽6向中间推动，最终使集料3与沥青胶浆膜厚度控制挡片8压紧；待沥青胶浆冷却至室温后，用加热至 200℃的刮刀刮去被挤出的多余的沥青胶浆；拔出沥青胶浆膜厚度控制挡片8，将试验夹具主体连同集料一起，沿竖直方向退出浇筑载台；
第六步，SEM-serve设备安装：将试验夹具主体连同集料一起水平放入到 SEM-serve设备的楔形夹具中，使楔形夹具夹紧夹具尾部9；
第七步，施加荷载并记录数据：施加0.1mm/min的拉伸位移荷载20s，用以消除试验装置的初始扰动，卸除荷载20s，再施加1mm/min的等应变率荷载，记录张力-位移曲线；
第八步，计算界面拉伸断裂力学参数：根据记录的张力-位移曲线，计算沥青胶浆与集料界面初始刚度、界面拉伸断裂强度及断裂能。
如图3所示，张力-位移曲线中读取张力峰值Nc＝17.86N及其对应的峰值位移δc＝0.836mm、破坏时的相对位移δf＝1.995mm，根据集料试件长度D＝10mm 及宽度H＝10mm、沥青胶浆膜厚度控制挡片伸入浇筑区的长度d＝1mm，计算沥青胶浆与集料界面初始刚度K、拉伸断裂强度σc及断裂能Gf分别按照式 [1]至式[3]计算：
上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。
Claims (8)
1.一种细观尺度下沥青胶浆与集料界面断裂力学参数获取试验夹具，其特征在于：所述细观尺度下沥青胶浆与集料界面断裂力学参数获取试验夹具由三部分组成，分别为：试验夹具主体、试件浇筑载台(5)和沥青胶浆膜厚度控制挡片，所述试验夹具主体由两个T字型夹具(1)对称排列而成，夹具(1)的夹具头部(2)中央设有正方形凹槽，所述凹槽内设有集料(3)，集料(3)与夹具头部(2)之间使用环氧树脂硬质胶粘贴，所述集料(3)之间粘附一层沥青胶浆膜(4)；所述试件浇筑载台(5)的顶面设有与夹具尾部(9)搭配使用的夹具尾部卡槽(6)和浇筑区挡块(7)，所述浇筑区挡块(7)和集料(3)共同围成矩形的沥青胶浆浇筑区(10)，所述浇筑区挡块(7)上有T字型凹槽，T字型凹槽内设有沥青胶浆膜厚度控制挡片(8)；所述细观尺度下沥青胶浆与集料界面断裂力学参数获取试验夹具的试验方法，包括如下步骤： 第一步，筛选并切割集料：筛选粒径大于20mm的集料 (3)，使用玉石切割机切割成长10mm，宽10mm，厚5mm的矩形集料试件； 第二步，粘贴集料：配置环氧树脂双组份硬性胶，均匀涂刷于夹具头部(2)的凹槽底部， 将切割好的集料(3)试件压入凹槽，静置12小时，待环氧树脂胶充分硬化； 第三步，涂刷隔离液：将隔离液均匀涂刷于试件浇筑载台的浇筑区挡块(7)内侧表面、 上表面、沥青胶浆浇筑区底面以及集料(3)试件的侧表面； 第四步，安装浇筑载台及挡片：将夹具尾部(9)卡入试件浇筑载台(5)的夹具尾部卡槽 (6)中，在沥青胶浆膜厚度控制挡片(8)伸入到沥青胶浆浇筑区的外表面粘贴特氟龙胶带， 然后将沥青胶浆膜厚度控制挡片(8)插入到浇筑区挡块(7)中对应的T字型凹槽中； 第五步，浇筑沥青膜：加热沥青胶浆，逐渐浇筑入沥青胶浆浇筑区(10)内；将夹具沿着 夹具尾部卡槽(6)向中间推动，最终使集料(3)与沥青胶浆膜厚度控制挡片(8)压紧；待沥青 胶浆冷却至室温后，用加热的刮刀刮去被挤出浇筑区的沥青胶浆；拔出沥青胶浆膜厚度控 制挡片(8)，将试验夹具主体连同集料一起，沿竖直方向退出浇筑载台； 第六步，SEM-serve设备安装：将试验夹具主体连同集料一起水平放入到SEM-serve设 备的楔形夹具中，使楔形夹具夹紧夹具尾部(9)； 第七步，施加荷载并记录数据：先施加预加荷载，消除试验装置的初始扰动，再施加等应变率荷载，记录张力-位移曲线； 第八步，计算界面拉伸断裂力学参数：根据记录的张力-位移曲线，计算沥青胶浆与集 料界面初始刚度、界面拉伸断裂强度及断裂能。
2.根据权利要求1所述的细观尺度下沥青胶浆与集料界面断裂力学参数获取试验夹具，其特征在于：所述两个T字型夹具(1)的夹具头部(2)长20mm、宽20mm、厚度3mm，夹具头部中央的正方形凹槽的长10mm、宽10mm、深1mm；夹具尾部(9)长30mm、宽20mm、厚5mm；材料采用45#钢。
3.根据权利要求1所述的细观尺度下沥青胶浆与集料界面断裂力学参数获取试验夹具，其特征在于：所述试件浇筑载台(5)的载台长100mm、宽40mm、高15mm；夹具尾部卡槽(6)宽5mm、深15mm。
4.根据权利要求1所述的细观尺度下沥青胶浆与集料界面断裂力学参数获取试验夹具，其特征在于：所述沥青胶浆膜厚度控制挡片(8)伸入浇筑区的长度为1mm；制备0 .04mm、0 .14mm、0 .34mm、0 .64mm、0 .84mm、1 .34mm不同厚度的一组厚度控制挡片，在两侧粘贴厚度为0 .08mm的特氟龙薄膜后，整体厚度分别为0 .2mm，0 .3mm，0 .5mm，0 .8mm，1mm，1.5mm。
5.根据权利要求1所述的细观尺度下沥青胶浆与集料界面断裂力学参数获取试验夹具，其特征在于：所述第三步中将丙三醇与滑石粉按照质量份数比2 .5：1配置成隔 离液。
6.根据权利要求1所述的细观尺度下沥青胶浆与集料界面断裂力学参数获取试验夹具，其特征在于：所述第五步中，沥青胶浆加热温度为180℃-200℃，待沥青胶浆冷 却至室温后，用加热至200℃的刮刀刮去被挤出浇筑区的沥青胶浆。
7.根据权利要求1所述的细观尺度下沥青胶浆与集料界面断裂力学参数获取试验夹具，其特征在于：所述第七步中，施加0 .1mm/min的拉伸位移荷载20s，卸除荷载 20s，再施加1mm/min的等应变率荷载，记录张力-位移曲线。
8.根据权利要求1所述的细观尺度下沥青胶浆与集料界面断裂力学参数获取试验夹具，其特征在于：所述第八步中，根据记录的张力-位移曲线，读取开裂时的峰值张力N c 及其对应的位移
、破坏时的相对位移
，根据集料试件长度D及宽度H、沥青胶浆膜厚度控制挡片伸入浇筑区的长度d，计算沥青胶浆与集料界面初始刚度K、拉伸断裂强度
及断裂能
分别按照式[1]至式[3]计算：
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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